В резултат активната форма на пеметрексед забавя образуването на ДНК и РНК и предотвратява клетъчното делене.
La nivelul celulelor canceroase, transformarea pemetrexedului în forma sa activă se produce mai rapid decât în celulele normale, ceea ce face ca în celulele canceroase medicamentul să aibă niveluri mai crescute ale formei active şi o durată mai mare de acţiune.